海洋生物生態引導系統
——基于海洋動物行為學的白海豚引導案例

王 劍 胡潤宇 劉心銘 鄒玉瑩 戴榕泓

海洋生物生態引導系統
——基于海洋動物行為學的白海豚引導案例

王 劍 胡潤宇 劉心銘 鄒玉瑩 戴榕泓

海洋生態引導系統通過模擬水域生物發出的聲波去引導有益水生生物進入安全水域（如：鯨類、海獅因迷航而擱淺、白海豚因迷航死于高速輪船撞擊），驅趕有害生物進入人類活動水域（如：鯊魚、虎鯨進入休閑沙灘海域），降低水域生物受人類活動的干擾，保護海域生物，從而實現海洋生態平衡和保護。該系統以對聲波定位、交流為主的白海豚研究為突破口，研究白海豚交流聲波“語言”及白海豚天敵虎鯨的聲波，利用海洋生物學、仿生學、聲學等學科，通過研發出由超聲波接收器、超聲波發聲器、基于美國儀器公司開發的NI數據采集卡的聲音處理器、LabVIEW軟件處理系統組成的一套基于物聯網的海洋生態引導系統。

選題背景

由于人類活動對海洋的干擾，海洋生態環境受到了一定程度的破壞。主要有以下幾點，其中高速輪船造成海洋動物死傷占18％到20％，見圖1。

圖1 損害海洋生物的因素

利用超聲波避障和捕食的動物特別容易受到人類活動的影響，包括白海豚、鯨類、鯊魚等。其中白海豚和鯨類會被來往船只的螺旋槳擊中或因信號干擾而擱淺，鯊魚會誤入人類的活動范圍并襲擊人類。

（一）白海豚

中華白海豚（Sousa Chinesis Dsbeck） 是中國海洋鯨豚中唯一的國家一級保護動物，1988年被列入《中華人民共和國重點保護野生動物名錄》，同時也被列入瀕危野生動物國際貿易公約，禁止一切相關的貿易活動。

目前世界白海豚分布如圖2、圖3所示。

圖2 全球白海豚分布

圖3 中國白海豚分布

由于白海豚的繁殖率、生存率低及人類活動干擾，白海豚的數量極少并呈下降趨勢。以香港為例，海豚保護協會會長洪家耀說：“在過去數年我們見證了海豚數量的急劇下降—2003年有158只，到2012年只有61只。”見圖4。

（二）鯨類

鯨魚是國家二級保護動物。然而，在過去100多年中，商業捕鯨幾乎造成鯨的滅絕，1920年時世界上還有25萬頭藍鯨和60萬頭長須鯨，2006年時只剩當時的4％和8％，見圖5。

除了商業捕殺帶來的危害，鯨魚擱淺也是導致鯨魚死亡的重要原因。人們自古以來便發現鯨魚“集體自殺”見圖6。

圖4 香港海豚數量變化

圖5 鯨魚數量變化

圖6 歷史鯨魚死亡事件

（三）鯊魚

全世界每年約有100起鯊魚攻擊人類事件發生。約25％是致命的，多死于出血和休克，見圖7。

圖7 鯊魚攻擊人類致命率

因為白海豚對超聲波最為敏感，而且在廣東有中華白海豚保護區，我們選擇以白海豚為案例作為研究。

海洋生態引導概念構想

通過模擬水域生物發出的聲波，海洋生態引導系統可以引導有益水生生物進入安全水域（如：鯨類、海獅因迷航而擱淺、白海豚因迷航死于高速輪船撞擊），驅趕有害生物進入人類活動水域（如：鯊魚、虎鯨進入休閑沙灘海域）。

圖8 海洋生態引導系統（途中圓點表示）可部署于海岸沿線以防止白海豚、鯨魚等出現擱淺現象

圖9 珠江口中華白海豚自然保護區的具體保護方案（帶有探測系統的浮標）將布置于河口兩岸以及狹小區域，而驅趕系統主要分布在淇澳島和內伶仃岸邊，對于離岸過近、又危險的白海豚進行引導

（一）應用與部署

海洋生態引導系統可部署于海岸沿線，對防止白海豚、鯨類等生物的擱淺現象有一定作用。同時，該技術也可被應用于游客密集的海灘，防止具有攻擊性的海洋生物如鯊魚等闖入引發人員傷亡。對于洋面較為開闊的區域，這一系統則可被應用于驅趕誤入漁場或網箱養殖區域的白海豚，通過在養殖區域四周以及作業漁船上部署該系統，防止漁船誤傷白海豚。

圖10 單作業系統之間可以通過標準無線電信號、GSM網絡、有線網絡互相通信、形成覆蓋面極廣的物聯網

（二）物聯網系統

當部署在海岸沿線以及船只上的系統通過物聯網形成分布式網絡后，由系統采集的各種信息都能被匯總到分布式網絡的云端數據庫上，因此可以提高該套系統的全局可控性，穩定性和易操作性。控制人員可以通過如手機等的各類聯網設備，隨時隨地對系統進行管理，接收系統相關信息，大大減少了管理系統所需的人力資源和管理人員的工作復雜度，起到以點成線，以點成面的大局化效果，真正意義上實現系統的自動，智能和高效。

（三）與GIS系統的交叉應用

GIS（地理信息系統）匯總了全國各地的相關地理信息和實時氣象信息以及基本水文信息，通過與GIS系統的交疊，海洋生物生態引導系統可以在很大程度上適應每一套系統所部署地區的具體地理環境，并實施規避自然災害和其他風險。同時，作為對GIS系統的補充與延伸，系統可基于自身攜帶的水文檢測設備實時監測當地的水文狀況，并將其發送給GIS系統的數據庫，達到兩者相輔相成的目的。

（四）以白海豚為例的應用效果示意圖

圖11

圖12 海洋生態引導系統的效果模擬：系統能在收到白海豚發出的超聲波之后發射相應的聲波對其進行引導

海洋生態引導系統結構及運用

該系統以對聲波定位、交流為主的白海豚研究為突破口，研究白海豚交流聲波“語言”及白海豚天敵虎鯨的聲波，利用海洋生物學、仿生學、聲學等學科，通過研發出由超聲波接收器、超聲波發聲器、基于美國儀器公司開發的NI數據采集卡的聲音處理器、LabVIEW軟件處理系統組成的一套基于物聯網的海洋生態引導系統。

圖13 單作業系統結構示意圖

圖14 操作軟件界面：顯示所測海洋生物的經緯度及種類、海水溫度、接收的波形及FFT信號

圖15 距離測算，水中音速計算部分C語言代碼實現

圖16 動態功率調整部分C語言代碼實現

（一）單作業系統

單作業系統包括超聲波接收器、超聲波發聲器、基于NI數據采集卡的聲音處理器、LabVIEW軟件處理系統，主要實現探測信息、顯示當前狀態、輸出驅趕信息等功能。采集聲波并確定經緯度后，電機驅動器控制步進電機轉動相應的角度，并同時發射聲波。軟件界面能顯示所測海洋生物的經緯度、海水溫度、接發的聲波類型及其FFT信號。

（二）操作軟件界面圖

（三）計算代碼

以白海豚為例研究具有導向性的海洋生態系統

海洋中會發聲的動物有無脊椎動物、軟體動物、魚類和哺乳動物等。有些哺乳動物，例如大部分齒鯨類，都具有回聲定位的功能，起著通訊的作用。由于白海豚為國家一級保護動物，瀕臨滅絕，該項目以白海豚為例，研究具有發生功能及回聲定位系統的導向型海洋生態系統。

（一）白海豚的定位系統

中華白海豚位于頭部兩側的眼睛較小、視力較差，其辨別物體的位置和方向主要靠回聲定位系統。海豚頭上的額隆，起著聲透鏡的作用，把接收的聲波變成狹窄的聲束，海豚根據水中物體對自己叫聲的反射聲，判斷物體的方位和距離。

與白海豚相似，鯨魚、鯊魚等海洋生物也有類似的超聲波定位系統，因此可以通過發射超聲波進行信號傳遞相應的信息：如驅逐對生態系統有危害的物種、避免海豚等生物擱淺、指引海洋生物趨向食物水質等適宜的海洋環境。

（二）在保護區監測的白海豚數據

圖17 白海豚頭部結構縱向切面圖A—氣孔；B—鼻通道；C—前庭囊；D—前頜骨囊；E—鼻栓區；F—額隆；G—鼻孔骨；H—喉；I—舌；J—上腭；K—下顎

圖18 白海豚基本結構示意圖

圖19 白海豚基本結構示意圖

海洋生態引導系統的應用前景

由于系統的原理是通過超聲波向具有這一聽力范圍的生物發送其天敵信號，因此該系統在稍作改良后，即可對鯨類、大部分海豚種群以及較為罕見的海獅等動物適用。如此一來，系統在單純防止白海豚遭受誤傷的同時，也可以有效應對鯨類、海獅擱淺、迷航等的狀況，應用廣度大幅提升。

如果能將系統做跨平臺拓展，將其水文、天氣模塊進行功能上的加強，并與當地航運系統、漁業系統的調度平臺鏈接，提供實時的氣象水文信息，并基于人工智能進行相應分析，將數據轉化為直觀的、適于用戶查看的數據形式，并通過系統自身具有一定算力的中央處理系統進行分布式聯網，動態監測如我國整個東南沿海的水文、氣象、大型鯨類、海豚的活動狀況，無疑會大有裨益，使系統在功能上更為多元，更為精簡和高效。

王 劍 胡潤宇 劉心銘 鄒玉瑩 戴榕泓

廣東實驗中學

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.006